Guía del Usuario
SAM 6.0
ARTAS - Engineering Software
Het Puyven 162 NL - 5672 RJ Nuenen Holanda
tel/fax: +31 (0)40 2837552 E-mail: [email protected] Internet: www.artas.nl
Contenido
Prólogo 1-1
¿Qué es SAM? ... 1-1 ¿Qué es nuevo en SAM 6.0 ?... 1-2 Acerca de esta Guía del Usuario... 1-3 Contrato de Compra ... 1-4
Generalidades 2-1
El Proceso de Diseño ... 2-1 Capacidades ... 2-2 Diseño ... 2-2 Modelamiento ... 2-2 Movimiento de Entrada... 2-2 Interfaz CAD... 2-3 Resultados de Análisis ... 2-3 Pos-Procesamiento... 2-3 Optimización... 2-4 Pasado, Presente y Futuro ... 2-5 European Academic Software Award... 2-6
Empezar 3-1
Requerimientos del Sistema... 3-1 Instalación de SAM... 3-1 Antes de instalar SAM ... 3-1 Porcedimiento de Instalación... 3-1 Uso por primera vez (Información de la Licencia)... 3-2 Uso de archivos de proyectos de SAM 3.0, 4.x y 5.x ... 3-2
Un Paseo Guiado 4-1
Ejecución de un proyecto de prueba ... 4-1 Uso del Asistente de Diseño para crear un mecanismo ... 4-6 Construcción de un mecanismo nuevo (sin el Asistente de Diseño) ... 4-10 Ejemplo de un mecanismo de 4 barras (análisis de movimiento).... 4-11
Síntesis (II) de 3-Posiciones... 5-6 Mecanismo de Línea Recta Exacta ... 5-7 Mecanismo Simétrico Manivela-deslizador ... 5-7 Mecanismo Engranado con doble Manivela... 5-8 Mecanismo de Engranaje Planetario hipo-cíclico... 5-8 Pareja acoplada de Engranaje Planetario ... 5-9 Pareja acoplada de correa... 5-9 Mecanismo de Línea Recta Aproximada ... 5-10 Watt... 5-10 Chebyshev... 5-11 Roberts ... 5-11 Evans... 5-12 Hoecken ... 5-12
Consideraciones de Modelamiento 6-1
Unidades ... 6-1 Coordenadas Nodales Exactas ... 6-1 Archivo de Movimientos ... 6-2 Formato ... 6-3 Importar archivo de movimiento... 6-4 Exportar un archivo de movimiento ... 6-4 Movimientos de Entradas Múltiples ... 6-5 Actuador Lineal ... 6-5 Guía Lineal Inclinada... 6-5 Construcción de Enlaces Multi-Nodos ... 6-6 Modelamiento de un engranaje rectilíneo/piñón... 6-6 Fuerzas de los Nodos en Movimiento... 6-8 Uso de Gráficas... 6-8
Optimización 7-1
Introducción ... 7-1 Objetivo de Optimización ... 7-2 Definición de la Referencia u Objetivo ... 7-3 Área de Parámetros ... 7-4 Opciones de la Optimización ... 7-5
Ejemplos 8-1
Elementos 9-1 Viga... 9-1 Deslizador ... 9-3 Engranaje ... 9-6 Correa... 9-10 Muelle, Amortiguador, Elemento de Fricción ... 9-13 Muelle rotacional, Amortiguador, Elemento de Fricción ... 9-17 Muelle no lineal ... 9-21
Entorno de Análisis Integrado 10-1
Teclado y Ratón ... 10-1 Barra de Herramientas ... 10-3 Comandos del Menú ... 10-4 Menú Archivo ... 10-4 Menú Construir ... 10-5 Menú Gráficas... 10-6 Menú de Entrada ... 10-7 Menú Cargas ... 10-9 Menú Análisis ... 10-11 Menú Optimización ... 10-12 Menú Visualización ... 10-12 Menú Resultados... 10-13 Menú Ventana... 10-13 Menú Ayuda... 10-14
Literatura 11-1
Apéndice 12-1
Problemas de Análisis... 12-1 Archivo de plantilla DXF... 12-2 Qué era nuevo en SAM 5.1 ? ... 12-2 Qué era nuevo en SAM 5.0 ? ... 12-3 Qué era nuevo en SAM 4.2 ? ... 12-4 Qué era nuevo en SAM 4.1 ? ... 12-4 Qué era nuevo en SAM 4.0 ? ... 12-5 Glosario de Términos... 12-8
Prólogo
¿Qué es SAM?
SAM (Síntesis y Análisis de Mecanismos) es un paquete interactivo de software para PC, para el diseño, análisis (movimiento y fuerza) y optimización de mecanismos planares arbitrarios. Los Mecanismos pueden generarse ya sea a través de los asistentes de diseño o a partir de los componentes básicos como vigas, deslizadores, engranajes, correas, muelles, amortiguadores y elementos de fricción. SAM integra análisis numérico de pre-procesamiento y
pos-procesamiento, como animación y diagramas x-y, con un entorno fácil de usar ofreciendo menús desplegables, soporte para el ratón y recursos de ayuda.
Captura de una pantalla típica de una sesión de diseño de un mecanismo
La fundamentación matemática del núcleo de análisis, la cual fue inspirada por el bien conocido método de elementos finitos, ofrece un gran número de
mecanismo planetarios complejos, incluyendo los trenes planetarios de engranajes pueden modelarse en pocos minutos.
¿Qué es nuevo en SAM 6.0 ?
Optimización (Solamente en la versión Profesional de SAM)
Tomando el diseño/topología inicial como punto de partida, uno puede por ejemplo mejorar la calidad futura en la cual la trayectoria del punto de un
acoplador es igual a la trayectoria objetivo al cambiar la geometría del mecanismo dentro de los rangos predefinidos.
O uno puede minimizar el valor pico o RMS del par motor de un mecanismo, agregando una masa de compensación y dejar que SAM determine el valor óptimo de la masa y su posición dentro del rango permitido.
Sólo en el caso de la optimización de la trayectoria uno puede también especificar una función de referencia y minimizar la diferencia entre la actual y la función de referencia. Cuando se está diseñando por ejemplo, equipos para desarrollo físico, uno generalmente busca una fuerza predefinida como función de desplazamiento. El objetivo de la optimización puede ser la minimización o maximización de una variedad de propiedades (pico, RMS, promedio) de la diferencia entre el
comportamiento actual y objetivo de un mecanismo, tales como:
• Trayectoria de un nodo (con o sin cronometraje prescrito)
• Cualquier movimiento o cantidad de fuerza (como función del tiempo u otra cantidad)
SAM busca lo óptimo modificando las siguientes propiedades dentro de los rangos definidos por el usuario:
• Geometría del mecanismo
• Propiedades del elemento, tales como masa, constante del muelle, proporción de la transmisión, ...
El proceso de optimización en SAM se basa en un método de dos pasos, el cual consiste en:
• Exploración del área de diseño
• Optimización de una solución específica
Primero, se explora globalmente el área completa de los parámetros usando una combinación de una técnica pura Monte-Carlo y el conocido Algoritmo
sea en la técnica Simplex o en un Algoritmo Evolutivo con un rango de parámetros menor centrado alrededor de la solución seleccionada.
La combinación de una estrategia global de exploración y una estrategia local de optimización (con el diseñador en el bucle para seleccionar el mecanismo que se va a optimizar) se considera hacer el mejor intercambio entre la velocidad y el alcance del área del diseño.
Junto a este método controlado por el usuario, puede también seleccionarse un método completamente automatizado.
Botón derecho del ratón sensible al contexto
En versiones anteriores de SAM, el modelo de interacción del usuario estaba basado en “seleccionar la acción del menú o barra de herramientas, luego
seleccionar el elemento al cual aplicar la acción ", por ejemplo Eliminar Elemento seguido de la selección del elemento a eliminar. Muchos programas, como
Microsoft Office, usan un método diferente el cual se basa en "Seleccionar un elemento y presionar el botón derecho del ratón para ver las acciones que se pueden aplicar al elemento seleccionado".
Para satisfacer tanto a los usuarios expertos de SAM así como a los principiantes, los cuales están acostumbrados al método de Microsoft Office, SAM 6.0 permite los dos métodos de interacción del usuario.
Alerta de Noticias
Si se solicita, los usuarios que se conectan a Internet, recibirán automáticamente información sobre cualquier noticia relacionada con SAM, tan pronto como ejecuten el programa SAM.
Niveles de Licencia: Profesional, Estándar y Ligera
Con el propósito de adaptar mejor el rendimiento y el precio a las necesidades de los clientes, se han incluido tres diferentes niveles de licencia. Estos tres niveles son:
• Ligera: Cinemática
• Estándar: Cinemática, Cinetostática (Análisis de Fuerzas),
• Profesional: Cinemática, Cinetostática, Optimización
Acerca de esta Guía del Usuario
Capítulo 1: El prólogo da una visión general del manual y el contenido del contrato de compra.
Capítulo 3: Empezar, contiene información sobre los requerimientos del sistema y el procedimiento de instalación.
Capítulo 4: Un paseo guiado le muestra como ejecutar un proyecto de
mecanismo existente y explica como crear su propio mecanismo, como ejecutar un ciclo de análisis completo, empezando desde cero y mostrando todos los pasos desde la definición del mecanismo hasta la personalización de las gráficas.
Capítulo 5: Asistentes de Diseño le da las generalidades para la generación automática de mecanismos usando los Asistentes de Diseño fáciles de usar. Capítulo 6: Consideraciones de Modelamiento discute un número de los más delicados asuntos de modelamiento.
Capítulo 7: Optimización explica las diversas posibilidades de optimización. Capítulo 8: Ejemplos hace una descripción gráfica de varios proyectos de mecanismos.
Capítulo 9: Elementos le informa todo acerca de los diferentes elementos que pueden usarse.
Capítulo 10: Entorno Integrado discute más detalladamente el uso del ratón y el teclado, la barra de herramientas y los diferentes elementos del menú.
Capítulo 11: Apéndice
Capítulo 12: Glosario de Términos
Capítulo 13: Índice
Contrato de Compra
Este software y la documentación adjunta, están protegidos por las leyes de propiedad intelectual y también por las estipulaciones del Tratado Internacional. Cualquier uso de este software violando la ley de derechos de autor en los términos de este contrato, será demandado dentro de nuestras capacidades. ARTAS le autoriza para que haga copias de este software, con la única intención de tener copia de respaldo y proteger su inversión. Bajo ninguna circunstancia usted puede copiar este software o la documentación con el propósito de distribuirlo a otros. Bajo ninguna condición usted puede retirar los avisos de derechos de autor que forman parte del software o la documentación.
ARTAS garantiza que el software funcionará como se describe en la
documentación, durante un período de 30 días desde la fecha de recibo. Si usted encuentra un error o deficiencia, le pediremos un informe detallado del problema para que podamos encontrarlo y corregirlo. Si usted nos notifica adecuadamente, la existencia de un problema en el software dentro del período de garantía, ARTAS actualizará el software defectuoso sin costo alguno. Si eso no es posible, ARTAS reintegrará el valor total de la compra del software después de recibir el disco del programa original con su documentación en buen estado.
ARTAS no asume ninguna responsabilidad por el uso de SAM por encima del precio original de compra del software. En ningún evento ARTAS será
Generalidades
El Proceso de Diseño
El proceso de diseño de mecanismos, prácticamente puede dividirse en dos fases diferentes, a saber:
• Síntesis
• Análisis
Después de la especificación apropiada de las demandas, el primer paso en el ciclo del diseño es la fase de síntesis, en la cual el diseñador intenta encontrar el tipo de mecanismo y sus dimensiones, de tal forma que se satisfagan los
requerimientos (de la mejor manera posible). La experiencia, los diseños previos, los manuales del mecanismo y los asistentes de diseño implementados en SAM, pueden guiar este proceso creativo.
Una vez que se ha escogido el mecanismo, se puede analizar el compartimiento de sus movimientos y fuerzas. Las preguntas típicas, como “Cual es la longitud aproximada del recorrido apto de una guía lineal, dada cierta desviación aceptable desde la línea recta” o “cuáles con las fuerzas de cojinete”, pueden responderse fácilmente usando un simulador de computadora. Mirando la clase de los programas independientes del mecanismo, existen programas especiales para ciertos tipos de mecanismos (deslizador-manivela, mecanismo de 4 barras ...) – uno puede observar varios métodos, tales métodos:
• Cinemática Modular
• Análisis Vectorial
• Restricciones Cinemática
• Método de Elementos Finito
Capacidades
Esta sección describe las capacidades de SAM. Si prefiere tener una visión general rápida podría mirar estos ejemplos.
Diseño
SAM ofrece un grupo de asistentes de diseño el cual ayuda a sintetizar los mecanismos para tareas específicas, tales como:
• Generación de la función Ángulo (se necesitan satisfacer como mínimo 3 pares de ángulos de entrada/salida).
• Síntesis de 3 posiciones/ángulo del plano acoplador
• Movimiento de línea recta aproximada
• Movimiento de línea recta exacta
En caso de que los asistentes de diseño no solucionen el problema de diseño específico, el usuario tiene que recurrir a su experiencia, diseños previos, manuales o ensayo y error para inventar el mecanismo, el cual posteriormente, puede ser modelado y analizado por SAM.
Modelamiento
SAM está equipado con una gran biblioteca de elementos básicos como:
• Viga, deslizador
• Correa, embrague
• Sensor
• Muelles, amortiguadores y elementos de fricción (tanto de traslación como de rotación)
• Muelle no lineal
El cual permite el análisis de una gran variedad de mecanismos. El fundamento matemático único del programa ofrece una gran cantidad de funciones y soluciona muchos de los problemas de los programas tradicionales de mecanismos.
Mecanismos de bucles abiertos, cerrados e incluso múltiples se tratan de la misma manera incluyendo los mecanismos más complejos como trenes de engranajes planetarios los cuales pueden modelarse en pocos minutos.
Movimiento de Entrada
SAM permite la definición de entradas múltiples, las cuales pueden definirse ya sea en términos de desplazamientos absolutos o en términos de cambios
elementales para darle forma a las entradas relativas del modelo (por ejemplo, la elongación de un cilindro hidráulico o rotación relativa de un codo de robot). Cada una de las entradas puede definirse independientemente. Varias leyes de movimiento de entrada usadas como:
• Polinomial
• Movimiento Cíclico
• Perfil de velocidad de segundo 2 orden
• Ajustadores Cúbicos
Están disponibles y pueden combinarse para formar cualquier diagrama de entrada deseado. Las entradas también pueden leerse desde un archivo ASCII externo o definido a través de una tabla para activar la definición de movimientos arbitrarios. Esta última función es especialmente útil para el modelamiento de perfiles cam no estándares.
Interfaz CAD
La función de importación/exportación de DXF, le permite exportar el diseño conceptual del mecanismo a cualquier programa CAD para manejar los detalles y le deja importar la información CAD para configurar fácilmente el mecanismo en SAM o ejecutar la animación del mecanismo final.
Resultados de Análisis
Una vez que el mecanismo se ha construido y se han definido las entradas, cualquiera de las siguientes cantidades Cinemáticas pueden calcularse (todas relativas o absolutas):
• Posición nodal, desplazamiento, velocidad, aceleración
• Ángulos, velocidad angular y aceleración
Adicionalmente, SAM puede ejecutar análisis de fuerzas, así permite el cálculo de:
• Par motor (fuerza)
• Fuerzas de reacción en los cojinetes
• Fuerzas internas de los elementos
• Energía requerida o transmitida
Pos-Procesamiento
cualquier número de puntos en movimiento. También puede generarse
automáticamente, una documentación completa del proyecto (formato ASCII).
Optimización
Solamente incluida en la versión PROFESIONAL de SAM!
Tomando como punto de partida el diseño/topología inicial, uno puede posteriormente mejorar la calidad en la cual la trayectoria del punto de un acoplador iguala la trayectoria objetivo, cambiando la geometría del mecanismo dentro de los rangos predefinidos.
O uno puede minimizar el valor pico o RMS del par motor del mecanismo, agregando una masa de compensación y dejar que SAM determine el valor óptimo de la masa y su posición dentro del rango permitido. Solamente, como en el caso de la optimización de la trayectoria, uno puede también especificar la función de referencia y minimizar la diferencia entre la función actual y la de referencia. Cuando se está diseñando, por ejemplo, equipos para desarrollo físico, uno está buscando generalmente una fuerza predefinida como función de
desplazamiento.
El objetivo de la optimización puede ser la minimización o maximización de una variedad de propiedades (pico, RMS, promedio, ...) de la diferencia entre el comportamiento actual y objetivo de un mecanismo, tales como:
• Trayectoria de un nodo (con o sin cronometraje prescrito)
• Cualquier cantidad de movimiento o fuerza (como función del tiempo u otra cantidad)
SAM busca lo óptimo para modificar las siguientes propiedades dentro de los rangos definidos por el usuario:
• Geometría del mecanismo
• Propiedades del Elemento, tales como masa, constante del muelle, proporción de la transmisión, ...
El proceso de optimización en SAM se basa en un método de dos pasos compuestos por:
• Exploración del área del diseño
• Optimización de una solución específica
Primero, el área completa de parámetros se explora globalmente usando una combinación de una técnica pura Monte-Carlo y la conocida como Algoritmo Evolutivo, la cual es una técnica de optimización derivada de la Optimización Genética. La lista de los mejores de tal exploración global se muestra en el cuadro de lista Explorar, el cual muestra el valor de la función de optimización y los parámetros correspondientes. El elemento con la mejor propiedad se ubica en la parte superior.
Luego, el diseñador puede seleccionar uno de los resultados de la Ventana del Explorador y empieza una optimización local. Esta búsqueda local puede basarse ya sea en la técnica Simplex o en el Algoritmo Evolutivo con un rango de
La combinación de una estrategia global de exploración y de estrategia de optimización local (con el diseñador en el bucle para seleccionar el mecanismo que se optimiza posteriormente) pretende dar la mejor compensación entre la velocidad y el alcance del área del diseño. Junto a este método controlado por el usuario, puede seleccionarse un método completamente automatizado.
Pasado, Presente y Futuro
El desarrollo de SAM empezó en 1985 (en un Computador Kaypro-X y sistema operativo CP/M), sin embargo, sólo hasta 1991, se publicó la primera versión DOS del programa y desde entonces se han agregado muchas mejoras. Una visión general breve:
1985 : SAM 0.0 empieza el desarrollo (Kaypro-X, CP/M Sistema Operativo) 1989 : SAM 0.1 Primera versión DOS
1991 : SAM 1.0 Primera publicación oficial, solamente cinemática 1991 : SAM 1.1 controladores para impresoras/trazadores gráficos 1992 : SAM 2.0 Cinetostática de mecanismos de enlace
1993 : SAM 2.1 Se agrega la importación CAD
1994 : SAM 2.2 Definición de nodos Polares y Relativos, ... 1995 : SAM 3.0 Primera versión para Windows
1998 : SAM 4.0 Interfaz CAD, varias opciones de visualización, ... 1999 : SAM 4.1 Unidades de Ingeniería, documentación de proyectos, ... 2001 : SAM 4.2 Cinetostática de correas y engranajes, herramientas CAD, ... 2003 : SAM 5.0 Asistentes de Diseño, Módulo de análisis optimizado, ... 2005 : SAM 5.1 Muelle no lineal, más y nuevas opciones de entrada, ...
2007 : SAM 6.0 Optimización, contexto sensible con el botón derecho del ratón Debido a sus capacidades, uso fácil y pocos requerimientos del sistema más de 500 Centros politécnicos y universidades ya han adoptado SAM para sus cursos de mecanismos y ejercicios prácticos. Además, SAM está siendo usado por un significativo número de empresas, entre las cuales se encuentran compañías internacionales de renombre activas en el campo de automóviles y máquinas de empaques.
Los Planes Futuros de SAM son :
European Academic Software Award
SAM fue propuesto dos veces para en la competencia de “European Academic Software Award (EASA)”. Las dos veces, después de ser evaluado
exhaustivamente por varios expertos internacionales, SAM alcanzó la final de esta prestigiosa competencia. La cual se creó para estimular el desarrollo de software de alta calidad para la educación y la investigación. EASA es una iniciativa conjunta de varios institutos Europeos de Austria, Alemania, Reino Unido, Países Bajos, Escandinavia, España y Suiza. El evento aún recibe el apoyo de la
Empezar
Requerimientos del Sistema
SAM necesita el siguiente hardware y software:
• MS Windows 95, 98, NT, 2000, XP, Vista o superior
• Al menos 10Mb de espacio en el disco duro.
Instalación de SAM
Antes de instalar SAM
Por favor regrese la tarjeta de registro. Esto nos permite brindarle el soporte técnico y mantenerle informado de las mejoras y actualizaciones de SAM.
Antes de instalar SAM, lea el archivo LEÁME, el cual encontrará en su disco de instalación. En este archivo encontrará información útil sobre el procedimiento de instalación y alguna información de último minuto.
Porcedimiento de Instalación
SAM viene en formato comprimido. El programa de instalación expandirá los archivos e instalará cada uno en el lugar adecuado del disco duro.
• Ejecuta “INSTALAR” para iniciar el programa de instalación.
• Seleccione el directorio en donde desea instalar SAM.
Uso por primera vez (Información de la Licencia)
La primera vez que ejecute SAM después de la instalación, se le pedirá llenar los datos de su licencia específica la cual viene con el software original.
Por favor, escriba en el formulario de la Licencia, Tipo de Activación, Nivel de la Licencia, Límite de tiempo (si es pertinente), Nombre/empresa y clave de la Licencia – en la forma exacta como la suministramos, puesto que de otra manera la información de la Licencia será inconsistente y no podrá ejecutar SAM.
Cuadro de diálogo de la información de la Licencia
Una vez que ha suministrado la información de la Licencia, SAM está instalado completamente y listo para usarlo.
Uso de archivos de proyectos de SAM 3.0, 4.x y 5.x
El formato de los archivos de proyectos de SAM 6.0 difiere de las versiones anteriores. Un Archivo de proyecto antiguo generalmente puede cargarse en SAM 6.0. La primera vez que se guarda este proyecto en SAM 6.0, se le pregunta al usuario confirmar que los datos se guardarán en el nuevo formato 6.0. Este proceso es irreversible, de tal forma que, en caso de archivos de proyecto muy importantes, le aconsejamos hacer copias de seguridad.
Un Paseo Guiado
Ejecución de un proyecto de prueba
Para abrir y ejecutar un proyecto de prueba, simplemente siga los siguientes pasos:
1. Abra un proyecto de mecanismos existente
Escoja abrir desde el menú Archivo o haga clic en el ícono correspondiente de la barra de herramientas. Seleccione uno de los archivos de ejemplo usando el cuadro de diálogo abrir que aparecerá. Luego haga clic en el botón Aceptar.
2. Mecanismo de Animación
Escoja Animación desde el menú Visualización o clic en el ícono Molino de la barra de herramientas para empezar la visualización animada.
3. Ver los resultados del análisis
Escoja Seleccionar desde el menú Resultados para seleccionar los resultados del análisis para pos-procesamiento seguido por Exportar o Graficar. La opción Exportar llamará el editor de su opción y mostrará los datos seleccionados en formato tabular, mientras que la Opción Graficar representará los datos
Un Ejemplo rápido
Para ilustrar los diferentes pasos, miraremos el ejemplo del mecanismo “deslizador-manivela”.
Escoja Abrir desde el menú Archivo o clic en
Aparece el Cuadro de Diálogo Abrir
Cuadro de Diálogo Abrir
Seleccione el Archivo "SLCR.DAT" haciendo clic en él, luego clic en el botón Aceptar. Alternativamente, puede hacer doble en el Archivo en vez de un clic y luego clic en botón Aceptar.
El Archivo del mecanismo se cargará y su pantalla lucirá como esta:
En la ventana derecha se muestra el mecanismo, mientras que en la izquierda, se muestran la posición y velocidad del nodo 3 en la dirección x.
Seleccione Animación del Menú Visualización o haga clic en
Ahora verá una visualización animada del mecanismo.
Escoja Seleccionar del menú Resultado o haga clic en . Luego, clic en el nodo 3.
Aparecerá un Cuadro de diálogo con las propiedades del nodo. Los elementos seleccionados son los que están representados en la gráfica.
Cuadro de diálogo de las propiedades del Nodo
Revise el eje de Aceleración y presione Aceptar.
La gráfica se actualiza automáticamente y se muestra el resultado solicitado.
a. Posición X, Velocidad X y Aceleración X del deslizador como función del tiempo b. Mecanismo
luego, clic en la etiqueta X(3) de la ventana de la gráfica.
La etiqueta X(3) se ha movido hacia la derecha y el desplazamiento X del nodo 3 X(3) se escala de acuerdo a la escala del eje “y” derecho (este mecanismo de doble escala “y” es útil especialmente en caso de que el rango de las variables mostradas difiera significativamente).
a. Posición X, Velocidad X y Aceleración X del deslizador como función del tiempo (2 escalas “y” diferentes) b. Mecanismo
Escoja importar DXF del menú Archivo y seleccione el archivo "SL.DXF".
Captura de pantalla después de importar el archiva DXF "SL.DXF"
Escoja adjuntar Grupo del menú Gráficas y siga las instrucciones.
Primero tiene que seleccionar el grupo de elementos gráficos que desea adjuntar (clic en los datos DXF que acaba de importar) luego, haga clic en el elemento al cual usted le desea adjuntar ese grupo (clic en el elemento No.2).
Seleccione Animación del menú Visualización o haga clic en
Verá una animación en la cual los elementos gráficos se mueven junto con el elemento No.2.
Este es el final de nuestro primer paseo guiado basado en un Archivo de Proyecto de un Mecanismo existente.
En los próximos capítulos aprenderá la forma de diseñar mecanismos basados en el Asistente de Diseño así como también la forma de construir "manualmente" sus propios mecanismos.
Uso del Asistente de Diseño para crear un mecanismo
SAM ofrece un grupo de asistentes de diseño el cual le ayudará a sintetizar los mecanismos para tareas específicas. Brevemente le explicaremos el concepto de los asistentes de diseño basados en la tarea de diseño para crear un mecanismo de 4 barras que guía el plano acoplador para satisfacer las 3 posiciones específicas y los ángulos.
Seleccione Archivo/Asistente/Mecanismo de 4 barras
Asistente de Diseño del "Mecanismo de 4 barras"
Escoja "Síntesis de 3 posiciones (I)"
Esto trae la pestaña de la "Síntesis de 3 posiciones (I)" a la posición frontal. En este cuadro de diálogo usted puede especificar 3 posiciones/ángulos de un plano acoplador además de la ubicación de los Nodos fijos Ao y Bo. Cómo primera introducción, le sugerimos que acepte los valores por defecto.
Inicialmente, la ventana del gráfico, muestra el ángulo de la manivela como función del tiempo.
Resultado del Asistente de Diseño "Mecanismo de 4 barras – Síntesis de 3 posiciones (I)"
Presione (Max Zoom) para una mejor vista del mecanismo seguido por
(Animación)
Su pantalla ahora lucirá así con la animación del mecanismo.
Presione de nuevo para detener la animación y mover el ratón sobre la ventana de la gráfica
Al mover el ratón sobre la ventana de la gráfica se producirá un desplazamiento de la línea vertical del cursor y el mecanismo se moverá como consecuencia. De esta manera, usted puede estudiar detalladamente el movimiento del mecanismo.
Si el mecanismo no se mueve junto con la línea vertical de la gráfica, debe presionar F4 (=Archivo/Preferencias) y activar el enlace del cursor de la gráfica.
Resultado del Asistente de Diseño "Mecanismo de 4 barras – Síntesis de 3 posiciones (I)"
Presione <F8> para regresar al Asistente de Diseño.
Construcción de un mecanismo nuevo (sin el Asistente
de Diseño)
Estos pasos rápidos le dan una visión general de la forma como SAM crea y analiza un mecanismo nuevo. Aunque los pasos pueden variar dependiendo del tipo de mecanismo y análisis, los pasos básicos se describen a continuación:
1. Crear un Proyecto Nuevo
Escoja Nuevo del menú Archivo para crear un proyecto nuevo o use el ícono correspondiente . Se le pedirá especificar la dimensión inicial del área de trabajo (puede cambiarse más adelante).
2. Ensamblar el mecanismo a partir de los elementos básicos ...
Usando los diversos elementos del menú Construir o las herramientas de la barra, usted puede ensamblar un mecanismo a partir de los elementos básicos. Haga doble clic en un elemento para cambiar sus propiedades o seleccione “Eliminar Elemento” del menú Construir para borrarlo. Para mover un nodo, seleccione la opción Mover Nodo o Coordinar Nodo del menú Construir. Alternativamente, puede usar o .
3. Definir las condiciones de apoyo
Las condiciones de apoyo pueden definirse ya sea desde el menú Construir o haciendo clic en la herramienta Apoyo de la barra de herramientas. Se le preguntará seleccionar un Nodo haciendo clic en él. Ahora mueva el cursor alrededor del nodo y observe como cambia la condición de apoyo desde el apoyo “x” hasta el apoyo “y” y así sucesivamente. Cuando desee que se muestre el tipo de apoyo, simplemente presione el botón izquierdo del ratón para activarlo.
4. Definir la inercia, fuerzas externas, gravedad....
Defina la inercia, fuerzas externas y gravedad desde el menú Fuerza.
5. Especificar el (los) movimiento(s) de entrada
El movimiento de entrada puede definirse ya sea desde el menú Movimiento de Entrada o haciendo clic en ícono correspondiente de la barra de herramientas. Puede definir varias clases de entrada, tales como desplazamiento “x”,
desplazamiento “y”, ángulo, ángulo relativo y elongación. Después de seleccionar el nodo o elemento apropiado, se abre un cuadro de diálogo para entradas, el cual le permite definir el movimiento de entrada combinando las leyes básicas del movimiento, tales como movimiento constante, lineal, sinusoidal y polinomial (por favor, ver la sección correspondiente del capítulo "Menú de Entradas").
6. Análisis
Dependiendo de las especificaciones de AUTO-EJECUCIÓN (ver
Archivo/Preferencias/Análisis) un análisis se lleva a cabo automáticamente, tan pronto como todos los datos relevantes del mecanismo están disponibles o necesita hacer el análisis manualmente (presionando Análisis o haciendo clic en el Ábaco )
Desde el menú Visualización, escoja Animación o haga clic en la herramienta Molino para empezar a mostrar la Animación. También puede animar el mecanismo “manualmente” o moverlo a una nueva posición inicial a través del menú Construir/Cambiar posición Inicial.
8. Ver los Resultados del Análisis
Escoja seleccionar desde ele menú Resultados para seleccionar Resultados del Análisis para pos-procesamiento. Luego, escoja Exportar para mostrar los datos en forma tabular o gráficamente y ver un diagrama xy de los datos seleccionados como función del tiempo. Trate de hacer clic en la etiqueta “y” de la gráfica y verá lo que pasa.
9. Guardar un Proyecto
Escoja Guardar desde el menú Archivo para guardar el proyecto.
Ejemplo de un mecanismo de 4 barras (análisis de
movimiento)
Desde el menú Archivo, seleccione Nuevo
Aparece un cuadro de diálogo del Área de Trabajo, en la cual puede entrar las dimensiones del Área de trabajo. Los números que ve en el cuadro de diálogo, son valores por defecto. Estos pueden diferir de los números usados durante la preparación de este manual.
Cuadro de diálogo del Área de Trabajo
Haga clic en Aceptar para usar los valores por defecto del Área de Trabajo.
Ahora verá un Área de Trabajo vacía con una ventana para la gráfica y otra para el mecanismo.
Maximice la ventana del mecanismo presionando el botón correspondiente.
Usar una ventana de mecanismo maximizada, es muy práctico mientras construye el mecanismo.
Cuadro de Diálogo Opciones de Visualización
Active la opción “Mostrar Cuadrícula” y haga clic en el botón Aceptar
Esto mostrará la cuadrícula, usando las dimensiones por defecto relacionadas con el área de trabajo. Su pantalla lucirá como esta:
Área de Trabajo con la cuadrícula por defecto
Seleccione la Viga desde el menú Construir o haga clic en
Mueva el ratón al punto inicial del elemento y presione el botón izquierdo para crear el primer nodo.
Mientras mueve el ratón, usted puede ver las coordenadas actuales del ratón en la barra de estado, parte inferior de la ventana.
Mueva el ratón al punto final del elemento y presione el botón izquierdo para terminar la creación de un elemento Viga.
Mientras mueve el ratón, se mostrará la forma actual del elemento. Si desea cancelar el proceso de creación a mitad de camino (se ha seleccionado el primer nodo pero no el segundo) presione el botón derecho del ratón una vez que haya creado un elemento y si desea borrarlo, puede escoger Eliminar desde el menú construir y clic en el elemento que desea eliminar.
Su pantalla lucirá parecida a esta:
El área de trabajo después de la creación del primer elemento.
Cree el segundo enlace. Mueva el ratón al nodo del primer elemento y haga clic una vez, luego mueva el ratón a una posición nueva y clic nuevamente.
El segundo enlace se crea de la misma forma, excepto que uno de los nodos del elemento nuevo tiene que coincidir con el nodo ya existente del primer elemento para crear una conexión.
El área de trabajo después de la creación del segundo enlace.
Cree todos los demás enlaces de un mecanismo de 4 barras (incluyendo un punto acoplador) de la misma forma.
Todos los elementos de un mecanismo de 4 barras se han ensamblado.
Seleccione Fijar Nodo (“x” y/o “y”) desde el menú Construir o haga clic en , luego clic el Nodo 1 y mueva el ratón alrededor del nodo hasta que se muestre la condición de apoyo. Luego presione el botón izquierdo del ratón nuevamente.
seleccionado. Esta es una forma muy práctica de aplicar las condiciones de apoyo.
Aplique las mismas condiciones de apoyo al nodo 4.
Esto creará la siguiente situación en su área de trabajo.
Mecanismo de 4 barras incluyendo las condiciones de apoyo
Seleccione el Ángulo desde el menú Movimiento de Entrada o haga clic y luego clic en el nodo 1.
cuadro de diálogo Movimiento de Entrada
Haga clic en el botón “Agregar”
Este agregará la ley de movimiento actualmente activo y los datos actuales de movimiento (movimiento, duración, y número de pasos) a la lista de movimiento. Además, la representación gráfica se actualizará. Repitiendo este proceso, es muy fácil definir toda clase de movimientos de entrada combinando las leyes básicas del movimiento. Si desea eliminar un elemento de la lista, simplemente actívelo haciendo clic una vez y presione el botón “Eliminar”.Para modificar una entrada, tiene que activarla y presionar el botón “Modificar”.
Presione Aceptar para usar el movimiento de entrada actual.
Desde el menú Visualización, seleccione Animación o haga clic en
Ahora verá una animación del mecanismo.
Seleccione Ruta desde el menú Visualización y clic en el punto acoplador (nodo 5)
Ahora verá la ruta de ese punto.
Seleccione el Hodógrafo desde el menú Visualización y haga clic en el punto acoplador.
Además de la ruta del nodo, verá el hodógrafo de velocidad.
Asistentes de Diseño
Mecanismo de 4 barras
El menú Archivo/Asistente/Mecanismo de 4 barras ejecuta el asistente Mecanismo de 4 barras, el cual le permite generar un Mecanismo de 4 barras general de manera muy fácil, ejecutar una síntesis de la función ángulo y una síntesis de 3 posiciones.
General (nodos)
Este cuadro de diálogo le permite al usuario generar un Mecanismo de 4 barras incluyendo el punto, especificando las coordenadas de los nodos.
General (nodos, ángulos, dimensiones)
Asistente del Mecanismo de 4 barras: General (nodos, ángulos, dimensiones)
Síntesis de la función Ángulo
Asistente del Mecanismo de 4 barras: Síntesis de la función Ángulo
Basado en los pares de ángulos de entrada/salida especificados, un Mecanismo de 4 barras se sintetiza a través del método Freudenstein. En el caso de 3 pares de ángulos de entrada/salida, lo cual es lo mínimo, se pretende un Mecanismo de 4 barras que satisfaga exactamente los requerimientos. El usuario puede también especificar más de 3 pares de ángulos de entrada/salida, en cuyo caso los
requerimientos serán satisfechos aproximadamente (al menos la aproximación de cuadrados).
Algunas combinaciones de los ángulos de entrada/salida especificados son tales que el mecanismo no puede alcanzar todas las posiciones sin ser
Resultado de la generación de la función de un ángulo (basado en las valores por defecto)
Síntesis (I) de 3-Posiciones
Asistente del Mecanismo de 4 barras: Síntesis (I) de 3 posiciones
Basado en los 3 ángulos/posiciones especificados del punto acoplador C y la ubicación de los ejes bases Ao y Bo, se sintetiza un Mecanismo de 4 barras, el cual genera un movimiento del punto acoplador que pasa exactamente a través de estas tres posiciones prescritas con las orientaciones prescritas del plano
acoplador.
Algunas combinaciones de los requerimientos son tales que el mecanismo resultante no puede alcanzar todas las posiciones sin ser des-ensamblado entre dichas posiciones. En tal situación, el usuario puede tratar de especificar diferentes ubicaciones de los ejes base Ao y Bo. Además, en muchas situaciones de diseño, solamente los puntos inicial y final están realmente fijos y es
tolerable variar la posición central. En caso de que el punto acoplador pase a través de las posiciones prescritas en el orden incorrecto, uno tiene que cambiar la dirección del movimiento de entrada.
Mecanismo de 4 barras sintetizado incluyendo los tres ángulos/posiciones prescritos del punto acoplador.
Basado en las tres posiciones especificadas de los puntos circulares A y B y la ubicación de los ejes base Ao y Bo, un Mecanismo de 4 barras se sintetiza, el cual genera un movimiento que satisface estos requerimientos.
Algunas combinaciones de requerimientos son tales que el mecanismo
resultante no puede alcanzar todas las posiciones sin ser des-ensamblado entre dichas posiciones. En tal situación, el usuario puede intentar especificar
diferentes ubicaciones de los ejes base Ao y Bo. Además, en muchas situaciones de diseño solamente las posiciones inicial y final están realmente fijas y es tolerable variar la posición central.
En caso de que el punto circular pase a través de las posiciones prescritas en el orden incorrecto, uno tiene que cambiar la dirección del movimiento.
Mecanismo de Línea Recta Exacta
El menú Archivo/Asistente/Guías lineales exactas invoca el cuadro de diálogo dedicado, el cual le permite generar un número de mecanismos de línea recta paramétricamente predefinidos en una forma muy fácil.
Mecanismo Simétrico Manivela-deslizador
Mecanismo Engranado con doble Manivela
Asistente de movimiento de Línea Recta Exacta: Mecanismo Engranado con doble Manivela
Pareja acoplada de Engranaje Planetario
Asistente de movimiento de Línea Recta Exacta: Pareja acoplada de Engranaje Planetario
Pareja acoplada de correa
Mecanismo de Línea Recta Aproximada
El menú Archivo/Asistente/Guías lineales aproximadas invoca el cuadro de diálogo dedicado, el cual le permite generar un número de mecanismos de 4 barras de línea recta aproximada paramétricamente predefinidos en una forma muy fácil. Los cinco mecanismos se llaman de acuerdo a sus inventores.
• Watt
• Chebyshev
• Roberts
• Evans
• Hoecken
Watt
Chebyshev
Asistente de movimiento de Línea Recta Aproximada: Chebyshev
Roberts
Evans
Asistente de movimiento de Línea Recta Aproximada: Evans
Consideraciones de
Modelamiento
Unidades
El uso correcto de las unidades de Ingeniería en programas de análisis siempre es un aspecto muy importante. Para facilitar las cosas, hemos suministrado gran flexibilidad, es decir que usted puede cambiar el sistema de unidades en cualquier momento desde el menú Archivo/Preferencias/Unidades y SAM automáticamente re-escalará todos los datos disponibles y mostrará las unidades escogidas.
Nota : Los datos siempre se almacenan e interpretan de acuerdo con el sistema de unidades SI(rad). Mientras abra un archivo (Archivo de proyecto de SAM, archivo de movimiento o archivo de referencia de optimización) los datos de ese archivo se interpretan de acuerdo con el sistema de unidades SI(rad) y se convierten al sistema de unidades actualmente activo.
En el menú Archivo/Preferencias/Números, puede seleccionar la forma en la cual se representan los números reales. En el cuadro de diálogo Resultados/Exportar, puede definir diferentes especificaciones que solamente afectan a los datos exportados.
Nota: El número de dígitos que seleccione solamente afecta la forma en que se muestra el número. La precisión interna es igual al procesador de punto flotante, de tal forma que cualquier cantidad de dígitos entrada, se preserva. (pero tal vez no se muestre, si usted ha seleccionado un número de dígitos menor).
Coordenadas Nodales Exactas
para la “construcción " de coordenadas nodales exactas. También puede usar el botón para modificar las coordenadas del nodo.
En general el botón del teclado le permite entrar manualmente o seleccionar en cualquier etapa.
Cuadro de diálogo para la “Construcción” de coordenadas nodales exactas
La opción de coordenadas polares y cartesianas (relativas) no necesita explicación adicional. La última opción "intersección" puede localizar la intersección de dos círculos con nodos centrales N1 y N2 y radii L1 y L2, respectivamente. Puede seleccionar entre las dos intersecciones a través de la casilla de verificación. Los datos CAD pueden importarse en el formato DXF y el ratón puede moverse rápidamente a todos los puntos DXF. Esta función también facilita la creación de coordenadas nodales exactas.
Archivo de Movimientos
Tal archivo de movimientos puede generarse de varias formas: manualmente, por medio de un hoja electrónica o exportando los resultados de análisis generado por SAM.
Formato
Un archivo de movimiento tiene el siguiente formato:
<número de pasos > <absoluto (=1) o incremental (=2) movimiento y tiempo > <tiempo> <movimiento > <velocidad> <aceleración> (1.paso)
: : : :
< tiempo > <movimiento > <velocidad> <aceleración> (n.paso)
La primera línea define el número de pasos y si los datos de los pasos del tiempo y del movimiento se van a considerar como datos absolutos (=1) o incrementales (=2). . Cada una de las siguientes líneas contiene la información relevante de un paso de movimiento único, es decir el tiempo, movimiento, velocidad y
aceleración.
Representación Visual de la definición de movimiento de entrada “absoluto” e “incremental”
∆ϕ2; ∆t2 ∆ϕ1; ∆t1
∆ϕ2; t2
∆ϕ1; t1
Incremental: movimiento y tiempo entre dos posiciones sucesivas
Las siguientes dos listas definen un movimiento con un recorrido total de 0.5 m que es realizado en 2.0 s con una velocidad constante de 0.25 m/s y sin
aceleración (asumiendo que las unidades de preferencia son “m” y “m/s”).
absoluto incremental 10 1 10 0
0.2 0.05 0.25 0 0.2 0.05 0.25 0 0.4 0.10 0.25 0 0.2 0.05 0.25 0 0.6 0.15 0.25 0 0.2 0.05 0.25 0 0.8 0.20 0.25 0 0.2 0.05 0.25 0 1.0 0.25 0.25 0 0.2 0.05 0.25 0 1.2 0.30 0.25 0 0.2 0.05 0.25 0 1.4 0.35 0.25 0 0.2 0.05 0.25 0 1.6 0.40 0.25 0 0.2 0.05 0.25 0 1.8 0.45 0.25 0 0.2 0.05 0.25 0 2.0 0.50 0.25 0 0.2 0.05 0.25 0
Nota : Nota: en ambos casos la especificación de velocidad y aceleración se refiere a la nueva posición que se alcanza después de un paso. La diferencia radica en la definición del tiempo y movimiento. En la definición incremental, los pasos de tiempo y movimiento están definidos con respecto a la posición anterior, mientras que en la definición absoluta, ambos se especifican con respecto al estado inicial.
Importar archivo de movimiento
El cuadro de diálogo de movimiento de entrada puede especificar el archivo de movimiento que desea usar.
Por favor, note que los datos del archivo de movimiento se interpreta en consistencia con el sistema de unidades SI (m,m/s,m/s2 y rad, rad/s, rad/s2). Durante la importación de los datos se hace una conversión al sistema de unidades actualmente activo.
Exportar un archivo de movimiento
Los resultados de análisis pueden exportarse como un archivo de movimiento a través de Resultados/Exportar y la selección apropiada en el cuadro de diálogo que aparece. De esta forma los datos del movimiento que se generan en un análisis pueden usarse como entrada en otro análisis.
Cuando se exportan los resultados del análisis en el formato del archivo de movimiento, usted debe asegurarse que actualmente tiene una selección válida de datos para exportar. Un grupo válido consiste de Ux, Vx, Ax (o Uy, Vy, Ay) en caso de datos de desplazamiento. La selección debe consistir exclusivamente de estos tres elementos de un nodo. Otras selecciones válidas son A, Va, Aa (para ángulo) y E, EV, EA (para la elongación). Por favor, asegúrese que ningún otro elemento está seleccionado junto al grupo que usted necesita para el archivo de movimiento.
Movimientos de Entradas Múltiples
En SAM uno está en capacidad de definir hasta 10 movimientos de entrada simultáneos. Sin embargo, debe considerar la siguiente regla:
Cada entrada del movimiento debe tener el mismo cronometraje!! Los cálculos se llevan a cabo en momentos discretos de tiempo, los cuales deben coincidir con las diferentes entradas.
Los diferentes perfiles del movimiento pueden ser tan complejos como los
usuarios deseen, solamente si la regla mencionada anteriormente no se quebranta. En caso de que el cronometraje/sincronización de las entradas sea diferente, la última entrada eliminará completamente el cronometraje, lo cual genera un movimiento de entrada diferente al esperado.
Actuador Lineal
Un Actuador Lineal como un cilindro hidráulico se modela como se explica a continuación: Primero se modela un elemento de viga. Luego, la elongación de este elemento se define como entrada en el menú Entrada/Elongación.
Guía Lineal Inclinada
En algunos casos uno desea analizar un mecanismo con una guía lineal inclinada, la cual no se puede modelar fijando un nodo porque este método solo funciona con guías lineales horizontales o verticales. Sin embargo, una guía lineal inclinada se puede modelar sobre la base del elemento del deslizador. Fijando ambos nodos y el ángulo del punto base del deslizador, el nodo en movimiento solamente se puede deslizar sobre la línea fija.
Construcción de Enlaces Multi-Nodos
Algunas veces se desea o es necesario construir un enlace rígido con más de dos puntos de conexión. Esto puede lograrse ensamblando varios elementos de vigas estándares. En el caso de un mecanismo de 4 barras con un punto acoplador, pueden seguirse dos métodos:
1. Dos elementos de viga con una conexión rígida (nodos coincidentes mas la fijación de un ángulo relativo del menú Construir/Fijar Ángulo Relativo). 2. Ensamblar tres elementos de viga, las cuales son articulaciones de pivote. (el área del triángulo puede que no llegue a cero, por lo tanto este método no se puede usar cuando los tres nodos están ubicados en línea).
Dos formas de modelamiento de un punto acoplador
Modelamiento de un engranaje rectilíneo/piñón
SAM no tiene (aún) un elemento especial para modelar un engranaje rectilíneo/piñón. No obstante, es posible modelar tal transmisión usando un embrague o elemento de correa, los cuales se ilustrarán por medio del modelamiento de un engranaje rectilíneo horizontal:
a. ELEMENTO DE ENGRANAJE (ver ejemplo rack1.sam)
Modelamiento de un engranaje rectilíneo /piñón usando un elemento de engranaje (RACK1.SAM)
b. ELEMENTO DE CORREA (ver ejemplo rack2.sam)
• Una de las dos ruedas (A) de la correa, representa el piñón, mientras que la segunda correa (B) tiene un radio que es “casi cero" (debido a
problemas numéricos uno no debería usar "cero").
• Las coordenadas “y” de las ruedas se escogen como en el ejemplo.
• La rueda A se fija en las direcciones “x” y “y”
• La rueda B se fija en la dirección “y” y en rotación
• La rueda A es accionada
Fuerzas de los Nodos en Movimiento
A menudo es deseable calcular las fuerzas nodales como resultado de las fuerzas externas o de los efectos de la inercia. Cuando usted está interesado en las fuerzas de reacción de un nodo fijo, puede simplemente seleccionar Fx, Fy o la salida Fabs de ese nodo.
Sin embargo, si está interesado en la fuerza transmitida a través de un nodo en movimiento, el procedimiento es un poco diferente. La suma de todas las fuerzas actuando sobre un nodo fijo debe ser siempre igual a cero, por lo tanto tiene que mirar la fuerza normal de los elementos que están enlazados a ese nodo. Esta es la fuerza normal transmitida desde un elemento hasta el otro a través del nodo.
Uso de Gráficas
Dependiendo de filosofía de diseño, hay dos puntos de entrada en un proceso integrado de diseño SAM/CAD:
1. Un diseño conceptual se hace en SAM y los datos relevantes se exportan en el formato DXF al programa CAD para procesamiento posterior. Este los levará al diseño del mecanismo del entorno CAD. En el siguiente paso, el diseño del mecanismo se transfiere a SAM en el formato DXF. En SAM, los diferentes elementos se pueden transformar (trasladar, rotar) y pueden adjuntarse a los elementos ya existentes.
2. El diseño de un mecanismo se hace directamente en el entorno CAD, el cual se transfiere luego a SAM en el formato DXF. En SAM, el mecanismo conceptual puede construirse sobre la base de un diseño importado. Luego, los grupos de elementos gráficos pueden adjuntarse a los elementos.
Una vez que los datos DXF se importan, ya forman parte de un archivo de proyecto SAM.
Inicialmente, las entidades gráficas de cada archivo DXF importado se tratan como un grupo.
Solamente son compatibles las siguientes entidades gráficas: PUNTO, LÍNEA, CÍRCULO, ARCO y TEXTO.
Optimización
Introducción
El módulo de optimización de SAM ofrece optimización de parámetros múltiples con funciones únicas basada en una mezcla de algoritmos evolutivos y técnicas Simplex.
Tomando el diseño/topología inicial como punto de partida uno puede por ejemplo, mejorar posteriormente la calidad en la cual la trayectoria del punto acoplador es igual a la trayectoria objetivo cambiando la geometría del
mecanismo dentro de los rangos predefinidos. O uno puede minimizar el valor pico o RMS del par motor de un mecanismo, agregando una masa de
compensación y dejando que SAM determine el valor óptimo de la masa y su posición dentro del rango permitido. Sólo en el caso de la optimización de la trayectoria, uno puede también especificar una función de referencia y minimizar la diferencia entre la actual y la función de referencia. Cuando se está diseñando por ejemplo, equipos para desarrollo físico uno está buscando generalmente una fuerza predefinida como función de desplazamiento.
El objetivo de la optimización puede ser la minimización o maximización de una variedad de propiedades (pico, RMS, promedio, ...) o de la diferencia entre el comportamiento actual y objetivo de un mecanismo, tales como:
• Trayectoria de un nodo (con o sin cronometraje prescrito)
• Cualquier cantidad de movimiento o fuerza (como función del tiempo u otra cantidad)
SAM busca lo óptimo para modificar las siguientes propiedades dentro de los rangos definidos por el usuario:
• Geometría del mecanismo
• Propiedades del elemento, tales como masa, constante del muelle, proporción de la transmisión, ...
El proceso de optimización en SAM se basa en un método de dos pasos compuestos por:
• Exploración del área del diseño
Primero, el área completa de parámetros se explora globalmente usando una combinación de una técnica pura Monte-Carlo y la conocida como Algoritmo Evolutivo, el cual es una técnica de optimización derivada de la Optimización Genética. La lista de los mejores de tal exploración global se muestra en el cuadro de lista Explorar, la cual muestra el valor de la función de optimización y los parámetros correspondientes. El elemento con la mejor propiedad se muestra en la parte superior.
Luego, el diseñador, puede seleccionar uno de los resultados de la Ventana del Explorador y empieza una optimización local. Esta búsqueda local puede basarse ya sea en la técnica Simplex o en el Algoritmo Evolutivo con un rango de
parámetros menor centrado alrededor de la solución seleccionada.
La combinación de una estrategia global de exploración y de estrategia de optimización local (con el diseñador en el bucle para seleccionar el mecanismo que se optimiza posteriormente) se cree dar la mejor compensación entre la velocidad y el alcance del área del diseño. Alternativamente, las opciones pueden establecerse de tal forma, que se ejecuta una optimización completamente
automatizada.
Objetivo de Optimización
Las siguientes opciones y acciones de configuración deben llevarse a cabo: Paso 1: Seleccione el tipo de Objetivo
Función: esta puede ser cualquier cantidad de movimiento/fuerza.
Ruta: esta puede ser el movimiento de cualquier nodo.
Ruta incluido el cronometraje: esta puede ser el movimiento incluido el cronometraje de cualquier nodo.
Paso 2: Editar los detalles del Objetivo
Definición de las propiedades del elemento o nodo necesarias para la
optimización. En el caso de la optimización de la función uno puede también definir el argumento de la función (por defecto es el tiempo, pero en ciertas aplicaciones se puede seleccionar otra cantidad, por ejemplo, cuando se necesita optimizar una fuerza como función del desplazamiento). Paso 3: Seleccione el archivo de referencia
Definición de una referencia u Objetivo (si se requiere!). En el caso de la optimización de una función, esto algunas veces no se requiere y puede
dejarse vacío. Por ejemplo, si se necesita minimizar el máximo par motor, uno no necesita definir una función de referencia. Sin embargo, si se requiere el perfil de cierta fuerza como función de desplazamiento, el perfil objetivo obviamente necesita definirse.
Paso 4: Definir Propiedades
Seleccione la propiedad del Objetivo que necesita optimizarse. Esto puede ser una variedad de propiedades (máximo, máximo absoluto, media, desviación estándar, ....) y depende mucho del problema de optimización, el cual de estas opciones son relevantes.
Paso 5: Objetivo de la Optimización
Finalmente, tiene que decidir si la propiedad seleccionada necesita minimizarse, lo cual es el caso de la mayoría de los problemas de optimización, o maximizarse.
Definición de la Referencia u Objetivo
La función objetivo o ruta (sin o con cronometraje) se define en un archivo sencillo ASCII, basada en la definición del siguiente formato, el cual depende del tipo de optimización:
Función
argument_1 función_1 argument_2 función_2
: :
Ruta sin cronometraje x_1 y_1
x_2 y_2
: :
x_n y_n
Ruta con cronometraje
time_1 x_1 y_1
time_2 x_2 y_2
: : :
time_n x_n y_n
1. Todos los datos objetivos o de referencia se interpretan con las unidades SI(rad) y se convierten al sistema de unidades actual.
2. La ruta objetivo va desde el primer punto hasta el último punto y no se cierra automáticamente para dar el control máximo al usuario sobre la definición objetivo. Para cerrar la ruta objetivo, debe repetirse el primer punto, al final del archivo de referencia.
Área de Parámetros
optimización y dentro de cuales límites. Junto a la entrada manual de los valores límites, uno puede presionar el botón llamado “Dibujar un rectángulo" y definir una región rectangular con el ratón.
Cuadro de diálogo de las opciones de optimización del nodo
Opciones de la Optimización
El menú Optimización/Opciones muestra el siguiente cuadro de diálogo:
Cuadro de diálogo de las opciones estándares de optimización
del área de parámetros basada en los algoritmos evolutivos, generando un grupo de soluciones.
El usuario puede luego seleccionar cualquiera de estas soluciones y refinarla posteriormente, a través de la optimización local, lo cual puede hacerse basada en el método Evolutivo o en el Simplex.
En el modo automático, la mejor solución de la búsqueda global se refina automáticamente en la optimización local (de nuevo basada en el método evolutivo o en el Simplex).
El método que se usa para la optimización local se define con el título "Optimización Local".
En la próxima sección, el usuario puede adaptar las especificaciones de los algoritmos Evolutivos y Simplex. Para facilitar el uso, solamente se muestran las especificaciones adaptadas frecuentemente, en primera instancia. El rango completo de especificaciones, alguno de los cuales requiere más fundamentación teórica, se muestra después de hacer clic en “más”. Cada una de las
especificaciones se explica brevemente en el siguiente capítulo.
Cuadro de diálogo mostrando el rango completo de las opciones de optimización
Las especificaciones de los algoritmos Evolutivo y Simplex que no son
Tamaño de la Población: Tamaño de la Población. Empieza con una población vacía la cual se llena con los individuos Nrandom y luego con los descendientes generados evolutivamente hasta que se alcance el tamaño de la población. Luego continúa el proceso evolutivo de generación de descendientes mientras se
reemplazan los individuos de la población por mejores descendientes para mantener el tamaño de la población.
Presión de Selección: La implementación actual está basada en una asignación de adaptabilidad fundamentada en rangos lineales, lo cual implica que la posibilidad de que un miembro de la población se seleccione para la generación de
descendientes está basada en su rango de la población clasificada más que en su valor objetivo. La opción de presión de selección agrega un función extra de peso y puede variar desde 1.0 (todos los miembros de la población tienen igual
posibilidad de selección) hasta 2.0 (la posibilidad de selección se reduce
linealmente con la posición de rango y es casi nula para los peores individuos de la población).
Ext. Re-combinación: En la implementación escogida, el algoritmo Evolutivo, la generación de descendientes está basada en recombinación aleatoria de los valores de los parámetros de los padres. Cuando se escoge el proceso de recombinación estándar intermedio, solamente los descendientes con parámetros en alguna parte, entre esos los de los padres, se generan y gradualmente ocurre una disminución de toda la población. Este efecto puede superarse, extendiendo el área de
selección más allá de los padres. Un valor de 0.25 significa que el área se ha extendido en un 25% en ambos lados y asegura (estadísticamente) que el área de parámetros de todos los descendientes es el área de parámetros abarcada por los parámetros de los padres.
Índice de Mutación: Después de la recombinación, cada descendiente sufre mutación. Los parámetros de los descendientes reciben la mutación debido a pequeñas perturbaciones con baja probabilidad para evitar la convergencia de la población muy rápidamente hacia un óptimo local. La probabilidad de mutación de un parámetro se define por el índice de mutación. Por experiencia, un índice de mutación de 1/n (n: número de parámetros) generalmente produce buenos
resultados.
Área Reducida: Cuando se aplica el algoritmo Evolutivo para refinar
posteriormente (optimización local) una solución específica de la exploración global, uno generalmente desea limitar el área de búsqueda y centrarla alrededor de la solución que se ha escogido para mejoramiento posterior. Todos los rangos de parámetros de la búsqueda local se multiplican por el factor dado, el cual normalmente varía entre 0.01 y 0.1.
Especificaciones del Algortimo Simplex
Max. Iteraciones: El Algoritmo Simplex se detiene cuando se alcanza el máximo número de iteraciones o cuando el mejoramiento relativo baja hasta cierto valor definido por la tolerancia.
Factor Inicial del Rango: El primer Simplex se genera agregando sucesivamente una perturbación pequeña para cada uno de los parámetros del grupo de
parámetros de inicio. La perturbación pequeña se halla multiplicando el rango de búsqueda de cada parámetro específico por el factor dado.
Búsqueda dentro de los Límites: Mientras el Algoritmo Evolutivo por naturaleza busca solamente dentro de los límites de parámetros dados, el
Ejemplos
Análisis de Movimiento
Mecanismo Balancín de Manivela
El archivo de ejemplo CRRK.SAM define un mecanismo balancín de manivela, la manivela del cual es accionada a velocidad constante. Se analiza la ruta y
velocidad del nodo 4.
Mecanismo de Retorno Rápido
En las unidades de flexión ascendente, a menudo se usa un mecanismo de retorno rápido. En estos mecanismos, es importante el diagrama de velocidad del nodo de traslación.
Mecanismo de Retorno Rápido (QKRT.SAM)
Transmisión de Engranaje accionado por un Deslizador
Transmisión de Engranaje accionado por un Deslizador (SLGR.SAM)
Mecanismo de doble Manivela
Mecanismo Planetario (Hipo-cíclico)
Un Mecanismo Planetario Hipo-cíclico puede usarse para generar de manera aproximada, un ángulo de rotación del eje. Esto se logra adjuntado un enlace de salida al engranaje de tal forma que la longitud del enlace sea igual al radio de curvatura del nodo de conexión (engranaje).
Mecanismo Hipo-cíclico (HYPO.SAM)
Análisis de Fuerzas
Mecanismo de Transferencia (incl. efectos de gravedad)
El Mecanismo de Transferencia puede usarse para transferir productos sin introducir ninguna rotación. Debido a la masa del enlace de transferencia, la cual se modela como masas discretas en los nodos extremos del enlace, se requiere cierto par motor estático.
Mecanismo de Transferencia incluida la ruta el enlace de transferencia (TRFR.SAM)
Transmisión de correa con fuerza externa
El siguiente ejemplo ilustra el análisis de fuerzas de una transmisión de correa sin pretensión que es cargada por una fuerza externa. Dependiendo de la rotación de la rueda, la fuerza vertical que actúa en el nodo 3 conduce el par motor positivo o negativo a la segunda rueda. Este par motor requiere ser contrarrestado por una fuerza positiva (tensión) de la parte superior o en la parte inferior de la
transmisión de correa, puesto que una transmisión de correa no cargada no puede transferir fuerzas negativas (presión). En el caso de una fuerza de tensión de la parte superior, la fuerza inferior es igual a cero y viceversa.
Optimización
Minimización del Par motor
Como primer ejemplo se mostrará, la reducción del par motor de un Mecanismo de 4 barras con masa en el punto acoplador. Esto se logra agregando una masa sencilla en el plano acoplador. El mecanismo se acciona a una velocidad angular constante y los efectos de la manivela y gravedad se excluyen del estudio. El Algoritmo de Optimización debe buscar la ubicación y valores óptimos de la masa de compensación.
El ejemplo está basado en un Mecanismo de 4 barras por defecto (asistente de diseño de 4-barras). Además de que se agrega una masa de 10kg al punto 5 del mecanismo. El movimiento de entrada consta de una velocidad constante que corresponde a un movimiento de 360 grados en 1 s. El análisis está dividido en 36 intervalos.
Mecanismo de Referencia
En la situación de referencia el par motor como función del tiempo se describirá en la figura de abajo. El máximo absoluto del par motor es igual a 26.6Nm.
Mecanismo de Referencia (a. Par Motor b. Mecanismo y Ruta del punto acoplador)
Rango de Parámetros de Optimización
El valor máximo absoluto del par motor se reduce agregando una masa sencilla al enlace acoplador. La región de búsqueda de la masa se definió en 0-20kg,
